流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)貫通式教學(xué)改革與實(shí)踐

周俊杰 陳泰然

摘?要：通過(guò)對(duì)流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)課程教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)研究型課程為案例，開展貫通式教學(xué)改革研究，提出貫通理論基礎(chǔ)、強(qiáng)化科研導(dǎo)向、突出能力塑造三方面改革舉措，構(gòu)建研究型課程，重構(gòu)課程知識(shí)體系，注重開展實(shí)踐活動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、改革創(chuàng)新能力，取得了良好教學(xué)效果，為新工科建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；液壓傳動(dòng)；貫通式；研究型；教學(xué)改革

近年來(lái)，隨著創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、中國(guó)制造2025、2035遠(yuǎn)景目標(biāo)等的出現(xiàn)和發(fā)展，引發(fā)了新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革［12］。新工科建設(shè)是我國(guó)高等教育的主要改革方向，是基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)、立德樹人新要求而提出的。新工科教育理念的提出，工程類專業(yè)的國(guó)際工程教育認(rèn)證，以及以企業(yè)需求為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)教育，都對(duì)高等院校的專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)模式提出了新要求。

本文針對(duì)流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)兩門課程教學(xué)現(xiàn)狀存在的問(wèn)題，提出了流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)貫通式教學(xué)改革思路，從貫通理論基礎(chǔ)、強(qiáng)化科研導(dǎo)向、突出能力塑造三方面入手，重構(gòu)課程知識(shí)體系，構(gòu)建研究型課程，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、改革創(chuàng)新能力，取得了良好教學(xué)效果，希望為相關(guān)課程改革提供參考。

1?問(wèn)題分析

近年來(lái)，研究型課程教學(xué)法在各大高校得到廣泛應(yīng)用，是一種以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)理論、個(gè)人技能以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力的方法［3］。該方法要求學(xué)生通過(guò)個(gè)人或團(tuán)隊(duì)合作完成項(xiàng)目任務(wù)，利用必要的學(xué)習(xí)資料，解決現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題，從而獲取知識(shí)和技能，成長(zhǎng)為兼有探索精神與動(dòng)手能力的實(shí)踐型人才。在項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生從“被動(dòng)接受”變?yōu)椤爸鲃?dòng)參與”，親身參與到每一個(gè)步驟，從項(xiàng)目的構(gòu)思到設(shè)計(jì)、實(shí)施，都由學(xué)生團(tuán)隊(duì)和老師一起探討完成，在發(fā)現(xiàn)、研究和解決問(wèn)題的過(guò)程中綜合培養(yǎng)學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層次的能力。“流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)”作為面向工科專業(yè)本科生所開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)于培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質(zhì)人才意義重大。

當(dāng)前專業(yè)基礎(chǔ)課程中通常將流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)兩門課分立，而液壓傳動(dòng)的基礎(chǔ)部分則為液壓流體力學(xué)，兩者內(nèi)容存在重疊，且課程內(nèi)容沒(méi)有銜接，學(xué)生不清楚內(nèi)在聯(lián)系，另外，課程內(nèi)容理論性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)課程浮于“體驗(yàn)”而不重視“深入理解”，學(xué)生不容易具體化，導(dǎo)致“學(xué)了不會(huì)用”的問(wèn)題突出，針對(duì)以上痛點(diǎn)，在教學(xué)中需要解決的問(wèn)題包括：（1）理論知識(shí)重疊，課程內(nèi)容銜接不順暢。（2）缺乏實(shí)際科研問(wèn)題的結(jié)合與導(dǎo)向。（3）欠缺知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力的環(huán)節(jié)。

2?改革思路

基于“理論認(rèn)知，實(shí)踐強(qiáng)化”的人才培養(yǎng)理念，以項(xiàng)目需求為牽引，以問(wèn)題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)和液壓傳動(dòng)的基本知識(shí)，掌握流體靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、液壓系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)以及液壓元件和系統(tǒng)的基本概念，引入有關(guān)流體的仿真工具，進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)。然后在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，理論與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)習(xí)流體的CFD仿真方法、基于集中參數(shù)的仿真方法，并針對(duì)無(wú)人平臺(tái)和車輛液壓系統(tǒng)開展課程實(shí)踐。最后以解決源于工程實(shí)踐的具體問(wèn)題為導(dǎo)向，基于OBE理念，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行水陸平臺(tái)、車輛液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

課程組將依托于具體項(xiàng)目，重構(gòu)課程知識(shí)體系，構(gòu)建合理的教學(xué)評(píng)價(jià)體系，注重學(xué)生對(duì)研究問(wèn)題的思考、解決物理問(wèn)題的能力和對(duì)研究結(jié)果的處理、釋義與再創(chuàng)新能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、改革創(chuàng)新的積極性與潛在能力，力爭(zhēng)培養(yǎng)能夠獨(dú)立思考解決問(wèn)題，具有團(tuán)隊(duì)協(xié)作和創(chuàng)新思維的復(fù)合型人才。

3?教學(xué)實(shí)踐舉措

針對(duì)課程存在的問(wèn)題，結(jié)合研究目標(biāo)和總體方案，提出教學(xué)改革的研究思路和具體改革舉措，如下圖所示。

改革思路與實(shí)踐舉措圖

3.1?貫通理論基礎(chǔ)

流體力學(xué)是一門基礎(chǔ)力學(xué)分支，液壓傳動(dòng)是一門機(jī)械基礎(chǔ)專業(yè)課程，兩者都以流體為基本研究對(duì)象，理論相通且知識(shí)脈絡(luò)聯(lián)系緊密。我國(guó)的液壓技術(shù)開始發(fā)展于20世紀(jì)50年代，與世界頂尖國(guó)家相比落后了至少50年的時(shí)間［4］。經(jīng)過(guò)多年艱苦的探索和研究，我國(guó)已經(jīng)從向國(guó)外學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)的階段發(fā)展到如今自主研發(fā)先進(jìn)液壓產(chǎn)品的階段，液壓傳動(dòng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于施工機(jī)械、航空航天、船舶重工等領(lǐng)域，真正實(shí)現(xiàn)了“從無(wú)到有，從有到精”的巨大轉(zhuǎn)變。但是，與世界頂尖液壓水平相比，我國(guó)仍處于落后地位，國(guó)產(chǎn)液壓件仍處于技術(shù)薄弱期。由于起步晚、發(fā)展不平衡、基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)落后、缺乏追求完美的科學(xué)精神等原因，我國(guó)液壓產(chǎn)業(yè)重主機(jī)，輕配件，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理；許多產(chǎn)品仍處于模仿，創(chuàng)新能力不足；缺少基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)支持，基礎(chǔ)工藝以及基礎(chǔ)材料質(zhì)量落后；產(chǎn)品性能、可靠性仍低于國(guó)外同類產(chǎn)品。目前最亟待解決的是核心零部件高度依賴進(jìn)口的問(wèn)題，諸如軸承、齒輪以及一些高精度液壓器件在市場(chǎng)上一直被美、德、日等進(jìn)口產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位，很大程度上阻礙了我國(guó)液壓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，加強(qiáng)液壓知識(shí)教育，培養(yǎng)液壓領(lǐng)域高端人才任重而道遠(yuǎn)。

流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)是機(jī)械類各專業(yè)的一門主要技術(shù)基礎(chǔ)課程，與機(jī)械工程和動(dòng)力工程熱物理學(xué)科中大量的工程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系密切，是學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程和專業(yè)發(fā)展最重要的技術(shù)基礎(chǔ)理論。流體力學(xué)主要研究流體處于流動(dòng)狀態(tài)和平衡狀態(tài)時(shí)的流動(dòng)規(guī)律以及流體與流體或者流體與固體（例如管道）之間的相互作用；液壓傳動(dòng)主要研究以液體為工作介質(zhì)，基于帕斯卡原理的流體傳動(dòng)元件和系統(tǒng)。流體力學(xué)講述的流體性質(zhì)、流體靜力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)以及縫隙流動(dòng)均是學(xué)習(xí)液壓傳動(dòng)的基礎(chǔ)，可以說(shuō)液壓傳動(dòng)的流體問(wèn)題是流體力學(xué)的一種特例，設(shè)計(jì)的流動(dòng)問(wèn)題也是普通流動(dòng)問(wèn)題的一種具體化，因此兩者存在共性理論基礎(chǔ)。擬通過(guò)優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)、引入例證說(shuō)明，使學(xué)生能掌握有關(guān)流體從基礎(chǔ)知識(shí)到工程技術(shù)的知識(shí)體系，夯實(shí)學(xué)術(shù)基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)課程后，學(xué)生應(yīng)達(dá)到以下基本要求：

（1）了解流體力學(xué)發(fā)展歷史及趨勢(shì)，掌握流體靜力學(xué)基本知識(shí)和基本理論。

（2）掌握流體動(dòng)力學(xué)基本知識(shí)，具備初步工程計(jì)算能力。

（3）了解和掌握液壓傳動(dòng)技術(shù)的基本知識(shí)，熟悉基本液壓元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。

（4）掌握液壓基本回路的組成，了解液壓回路的基本設(shè)計(jì)方法以及典型液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理。

（5）掌握液壓系統(tǒng)的分析方法，能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的液壓系統(tǒng)，并且能夠獨(dú)立分析較復(fù)雜的液壓系統(tǒng)。

（6）能夠熟練運(yùn)用Fluent和AMESim仿真軟件進(jìn)行具體問(wèn)題的研究與分析。

（7）在老師的引導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)配合完成水陸平臺(tái)、車輛液壓系統(tǒng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與仿真。

3.2?強(qiáng)化科研導(dǎo)向

流體力學(xué)和液壓傳動(dòng)兩門課程都具有理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，課程內(nèi)容涉及不同領(lǐng)域知識(shí)點(diǎn)較多，對(duì)知識(shí)儲(chǔ)備量的要求較高，包含了“大學(xué)物理”“工程熱力學(xué)”“機(jī)械原理”“高等數(shù)學(xué)”等課程的基礎(chǔ)知識(shí)，概念多而且抽象，公式推導(dǎo)煩瑣復(fù)雜，理解比較困難，雖然大多數(shù)借助實(shí)驗(yàn)和多媒體教學(xué)來(lái)幫助學(xué)生理解，但和真正的實(shí)踐要求還相去甚遠(yuǎn)。另外，教學(xué)模式單一，學(xué)生參與度不高。課堂教學(xué)多以原理與方法的講授為主，學(xué)生興趣和主動(dòng)性不足，不能體現(xiàn)系統(tǒng)性和層次性的教學(xué)目標(biāo)［5］。我們?cè)谥笇?dǎo)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)同學(xué)只是掌握了一些概念和基本知識(shí)，但面對(duì)問(wèn)題時(shí)往往不知所措，就算知道涉及了知識(shí)范疇，也沒(méi)有工具去分析實(shí)踐問(wèn)題。

將OBE理念融入本課程的教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從教師為中心到學(xué)生為中心，從學(xué)科導(dǎo)向到目標(biāo)導(dǎo)向，從質(zhì)量監(jiān)控到持續(xù)改進(jìn)三個(gè)轉(zhuǎn)變，教學(xué)過(guò)程需要做到以“學(xué)生”為中心，以“學(xué)習(xí)結(jié)果產(chǎn)出”為導(dǎo)向，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。以“學(xué)”為中心，關(guān)注的是“學(xué)什么，怎么學(xué)，學(xué)得如何”的問(wèn)題，更加注重培養(yǎng)學(xué)生的自我探索和自我學(xué)習(xí)等多方面能力，因此需要根據(jù)對(duì)學(xué)生的期望而進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。在教學(xué)過(guò)程中，要建立一個(gè)具有完善功能的質(zhì)量管理體系，使其具備“評(píng)價(jià)—反饋—改進(jìn)”的閉環(huán)特征，做到持續(xù)改進(jìn)培養(yǎng)目標(biāo)，讓它始終與內(nèi)、外部需求相符合；持續(xù)地改進(jìn)畢業(yè)要求，讓它始終與培養(yǎng)目標(biāo)相符合；持續(xù)地改進(jìn)教學(xué)活動(dòng)，讓它始終與畢業(yè)要求相符合。

為培養(yǎng)能夠獨(dú)立思考解決科研問(wèn)題，具有團(tuán)隊(duì)協(xié)作和創(chuàng)新思維的復(fù)合型人才，本項(xiàng)目擬發(fā)揮課程老師的科研經(jīng)歷和特長(zhǎng)，在教師的科研實(shí)踐中提取問(wèn)題，設(shè)計(jì)研究型課程，講授本領(lǐng)域的科研動(dòng)向以及發(fā)展趨勢(shì)，特別結(jié)合水陸兩棲平臺(tái)設(shè)計(jì)中的流體力學(xué)問(wèn)題、車輛液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中液壓傳動(dòng)問(wèn)題開展項(xiàng)目制研究，并依托項(xiàng)目剖析有關(guān)流體的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法和步驟，使學(xué)生學(xué)有所得，學(xué)有所思。

3.3?突出能力塑造

能力的培養(yǎng)是課程學(xué)習(xí)的最終目的，流體力學(xué)和液壓傳動(dòng)兩門課程也具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，傳統(tǒng)的以作業(yè)為主的課程內(nèi)容復(fù)習(xí)和鞏固有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，但對(duì)于知識(shí)的應(yīng)用和技能的培養(yǎng)作用有限。本項(xiàng)目在課程教授的基礎(chǔ)上引入仿真軟件學(xué)習(xí)，包括計(jì)算流體力學(xué)仿真（Fluent）和一維的液壓動(dòng)力學(xué)仿真（AMESim），通過(guò)對(duì)學(xué)生在具體問(wèn)題上的訓(xùn)練提升對(duì)象分析、理論構(gòu)建、仿真分析以及結(jié)果輸出的能力，直接對(duì)標(biāo)課題的研究過(guò)程，使學(xué)生完成課程學(xué)習(xí)后有知識(shí)、有手段、有興趣繼續(xù)該領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和研究。

CFD（計(jì)算流體力學(xué)）是一種由計(jì)算機(jī)模擬流體流動(dòng)、傳熱及相關(guān)傳遞現(xiàn)象的系統(tǒng)分析的方法和工具。Fluent誕生于1975年，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已成為最流行的CFD軟件之一。Fluent憑借其易用性、高效性、穩(wěn)定性以及在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、流體分析等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了其最初設(shè)定的目標(biāo)——工程師無(wú)須耗費(fèi)大量時(shí)間與精力去開發(fā)代碼，只要使用現(xiàn)成的軟件即可求解真實(shí)世界中的工程問(wèn)題。

AMESim最早由法國(guó)的Imagine公司開發(fā)，旨在將液壓伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)與有限單元機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合起來(lái)去控制復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，是一種工程系統(tǒng)高級(jí)建模和仿真平臺(tái)，常用于基于集中參數(shù)的仿真。AMESim的建模方法是基于功率鍵合圖，與鍵合圖相比，它具有直觀圖形的界面，可實(shí)現(xiàn)面向原理圖建模，在整個(gè)仿真過(guò)程中，仿真系統(tǒng)都是通過(guò)直觀的圖形界面展現(xiàn)出來(lái)的。AMESim具有多種仿真方式，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且每個(gè)接口都能傳遞多種變量，使不同領(lǐng)域的模塊可以相互連接，極大程度地簡(jiǎn)化了模型的復(fù)雜度。憑借界面直觀、系統(tǒng)穩(wěn)定、結(jié)果準(zhǔn)確、模型簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，AMESim在系統(tǒng)建模仿真領(lǐng)域得到了用戶的一致認(rèn)可。

在流體力學(xué)方面，課程實(shí)踐環(huán)節(jié)要求學(xué)生開展水陸兩棲車輛外形設(shè)計(jì)，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)仿真開展外形優(yōu)化。同學(xué)們紛紛創(chuàng)新，提出了一系列新的外形方案，并利用Fluent軟件仿真得到車輛周圍的壓強(qiáng)分布圖，實(shí)現(xiàn)了從概念構(gòu)想到仿真模擬，再到比較優(yōu)化的全流程設(shè)計(jì)。在液壓傳動(dòng)方面，課程實(shí)踐環(huán)節(jié)要求學(xué)生針對(duì)車輛ABS制動(dòng)系統(tǒng)，搭建AMESim仿真模型，并對(duì)ABS制動(dòng)系統(tǒng)原理開展仿真和參數(shù)設(shè)計(jì)，同學(xué)們從系統(tǒng)組成和原理出發(fā)，成功對(duì)ABS制動(dòng)系統(tǒng)開展了研究，掌握了從原理到物理模型，再到仿真結(jié)果分析的全套科研過(guò)程的實(shí)踐。通過(guò)實(shí)踐，學(xué)生們掌握了實(shí)踐技能，并通過(guò)實(shí)踐加深了理論理解，并鍛煉了創(chuàng)新思維。對(duì)Fluent和AMESim的熟練使用能夠幫助他們解決生活中遇到的實(shí)際問(wèn)題以及課題組中的科研問(wèn)題，做到學(xué)以致用，知行合一。

另外，擬引入教學(xué)輔助，秉承自愿原則，任命學(xué)習(xí)興趣濃厚、責(zé)任感強(qiáng)的同學(xué)作為助教，主要負(fù)責(zé)老師與學(xué)生之間的溝通。這種方式對(duì)老師、助教本身以及同學(xué)群體都有益處，實(shí)現(xiàn)了三贏。對(duì)老師而言，助教幫忙收發(fā)作業(yè)、答疑解難，可以有效提高課堂效率，緩解老師壓力，另外，還可以根據(jù)助教的反饋了解學(xué)生整體學(xué)習(xí)進(jìn)度以及學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而及時(shí)調(diào)整上課進(jìn)度和風(fēng)格。對(duì)助教本身而言，為了完成老師的任務(wù)提前學(xué)習(xí)以及為同學(xué)的答疑有助于鞏固知識(shí)，加深對(duì)課程的理解，認(rèn)真對(duì)待助教的工作也能夠培養(yǎng)工作能力和責(zé)任心，這對(duì)以后的科研和工作都大有裨益。對(duì)同學(xué)群體而言，不僅可以向助教尋求學(xué)習(xí)上的幫助，詢問(wèn)課程安排，還可以通過(guò)助教向老師表達(dá)自己的需求。教學(xué)輔助在課程中起到潤(rùn)滑劑的作用，能夠讓整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行得更加穩(wěn)定、高效。

結(jié)語(yǔ)

本文以流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)研究型課程為案例，針對(duì)當(dāng)前流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)課程教學(xué)存在知識(shí)重疊、缺乏科研實(shí)際、缺少能力訓(xùn)練等問(wèn)題，開展了貫通式教學(xué)改革研究，提出貫通理論基礎(chǔ)、強(qiáng)化科研導(dǎo)向、突出能力塑造三方面舉措，構(gòu)建了研究型課程，注重開展實(shí)踐活動(dòng)，使學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、改革創(chuàng)新能力方面得到了更好鍛煉，本項(xiàng)改革為新時(shí)代下新工科建設(shè)工作提供了有益探索。

參考文獻(xiàn)：

［1］鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)［J］.高等工程教育研究，2017（03）：16.

［2］林健.面向未來(lái)的中國(guó)新工科建設(shè)［J］.清華大學(xué)教育研究，2017，38（02）：2635.

［3］翁崇濤.構(gòu)建適合普通學(xué)生的研究型課程［J］.現(xiàn)代教學(xué)，2017，381，382（Z3）：6667.

［4］尚俊亮，石曉軍.液壓傳動(dòng)技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用［J］.技術(shù)與市場(chǎng)，2015，22（04）：75.

［5］萬(wàn)蕾.應(yīng)用型本科院校環(huán)境工程專業(yè)流體力學(xué)教學(xué)的幾點(diǎn)思考［J］.大學(xué)教育，2017（3）：2.

項(xiàng)目支撐：北京理工大學(xué)項(xiàng)目制課程教改項(xiàng)目培育項(xiàng)目（2022ZXJG018）

作者簡(jiǎn)介：周俊杰（1986—?），男，漢族，河北衡水人，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，特別研究員，研究方向：流體傳動(dòng)與控制；陳泰然（1990—?），男，漢族，云南人，博士，副研究員，研究方向：流體機(jī)械及工程。